Comportement thermomécanique de fontes à graphite sphéroïdal pour collecteurs d’échappement

L’Emission Acoustique

Pourquoi la technique de l’Emission Acoustique ?

Le choix de la technique de l’émission acoustique comme moyen potentiel de contrôle des réservoirs composites G.N.V. est le résultat des conclusions tirées d’une étude menée par Gaz de France [1]. Ainsi, l’exclusion des autres techniques potentielles a été en grande majorité dû : • d’une part à la contrainte matérielle de non-démontage des réservoirs pour réaliser le contrôle ; • d’autre part à la nécessité d’un critère d’acceptation ou de rejet objectif pour écarter les contrôles locaux, inadaptés à la quantification de l’endommagement global des réservoirs (rupture de fibres sur l’ensemble de la structure). De nombreuses études antérieures montrent que la technique de contrôle par émission acoustique permet de quantifier et de détecter en temps réel l’endommagement interne des composites soumis à des sollicitations mécaniques. Aussi, nous allons aborder plus en détail dans ce paragraphe les éléments techniques et théoriques de la technique permettant de la retenir comme méthode potentielle.

Généralités sur l’Emission Acoustique

La norme NF A 09-350 [2] définit l’émission acoustique comme « un phénomène de libération d’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires au sein d’un matériau soumis à sollicitation ». Cette libération d’énergie résulte de modifications microstructurales par un réarrangement de la matière. De cette définition, découlent les principales caractéristiques de la méthode : • c’est une méthode passive d’enregistrement volumique d’une forme de réponse d’un matériau face à une sollicitation mécanique ; • la technique est non directionnelle, les sources émissives irradient leur énergie dans toutes les directions ; • l’émission acoustique est sensible à la croissance et à la multiplication des défauts et aux changements dans le matériau plutôt qu’à la présence de défauts statiques : la détection ne peut se faire qu’au moment même où s’effectue le relâchement de contraintes donnant naissance à l’émission. La technique de l’émission acoustique consiste à détecter ces ondes pour en extraire des informations en temps réel sur le comportement du matériau. On distingue communément l’émission acoustique continue de l’émission acoustique discrète par salves (ou pulses). L’émission discrète est constituée de signaux transitoires aléatoires de fortes énergies et de courte durée. L’émission continue correspond à l’augmentation ponctuelle d’un bruit de fond qui s’apparente, par exemple, aux mouvements des dislocations dans un métal. Dans le cas des matériaux composites unidirectionnels soumis à une sollicitation, chaque mécanisme d’endommagement (décohésion, fissuration intralaminaire, rupture de fibres (Figure 2.3)) est source d’une onde d’émission acoustique de type discret. Chacun de ces phénomènes est reconnu comme brutal, c’està-dire que son apparition et sa propagation complète sont deux phénomènes quasi-confondus. Il est commun d’assimiler la salve détectée à un mécanisme d’endommagement du composite. La salve est Partie 1 – Problématique industrielle et démarche Chapitre 4 – L’Emission Acoustique convertie en signal électrique par l’intermédiaire d’un capteur piézoélectrique situé en peau du matériau. A partir d’un tel signal sont définis différents paramètres permettant de classer les pulses par famille (Figure 4.1). Ils peuvent, à condition de pouvoir isoler chaque mécanisme d’endommagement, devenir une signature du mécanisme considéré. Cependant, l’altération de l’onde initiale au cours de son parcours dans le matériau (franchissement des innombrables interfaces du milieu hétérogène et anisotrope du composite) rend la séparation et la reconnaissance des mécanismes d’endommagement très délicates. A ce titre, les travaux de recherche sur l’émission acoustique peuvent être classés en deux catégories distinctes : • une première catégorie d’études s’est attachée à l’aspect qualitatif des phénomènes et s’est donc concentrée sur la reconnaissance des mécanismes d’endommagement à l’origine de l’émission par l’analyse des paramètres de la salve ; • une seconde catégorie d’études s’est attachée à l’aspect quantitatif des phénomènes et s’est donc concentrée sur la recherche d’un moyen de détection de l’endommagement ayant pour objectif de le quantifier dans sa globalité. Figure 4.1 – Principaux paramètres mesurés en temps réel sur une salve d’émission acoustique 

Etudes des matériaux composites par Emission Acoustique 

Aspect qualitatif

Partant du constat que la technique de l’émission acoustique permet un suivi en temps réel des mécanismes d’endommagement intervenant au sein des structures, la recherche s’efforce, depuis maintenant plus de trente ans, de reconnaître et de séparer les différents modes d’endommagement des matériaux composites sans parvenir au développement d’une méthode de contrôle d’une structure fiable et facile d’utilisation. La plupart des travaux se sont concentrés sur la recherche d’une signature propre à chacun des mécanismes d’endommagement. Partant du principe que chaque mécanisme d’endommagement à une signature acoustique propre, l’analyse des paramètres de la salve générée sur des composites modèles doit permettre de séparer les différents mécanismes d’endommagement. Mullin et Coll [3], à l’origine de cette initiative, n’ont pas pu mettre en application leur principe en raison des limitations technologiques (rapidité d’acquisition, largeur de bande des capteurs piézoélectriques trop étroites). Cependant, avec les progrès de l’électronique et de l’informatique, cette voie a connu un nouvel essor dans les années 80 et qui se poursuit aujourd’hui. Plusieurs auteurs ont pu reconnaître et séparer, à partir de l’analyse d’un des paramètres de la salve différents mécanismes d’endommagement du matériau avec un certain succès pour l’étude de composites modèles [4 ,5 ,6 ,7]. Cependant, le passage à des structures plus complexes (matériaux croisés) a rendu cette démarche infructueuse : la multiplication des interfaces dans le matériau modifie et atténue trop fortement la signature initiale des mécanismes pour être clairement identifiée. Citons les travaux de Hamstad et Downs [8, 9] sur l’application de ce type d’analyse aux réservoirs composites où il leur a été impossible de statuer sur les mécanismes d’endommagement à l’origine des ondes détectées. Récemment, cet axe de recherche s’est vu relancer avec l’apparition de l’analyse par les méthodes de calcul de type réseaux de neurones [10, 11, 12]. Cette technique d’analyse consiste à définir des classes de reconnaissance où, à partir d’essais spécifiques favorisant un type d’endommagement, on considère l’ensemble des paramètres d’une salve et non plus un seul. Ce type d’analyse s’avère être assez efficace sur des composites de laboratoire, mais son applicabilité à des structures plus complexes se doit d’être vérifiée.

Aspect quantitatif

Parallèlement, l’émission acoustique a été utilisée comme moyen de contrôle de l’évolution de l’endommagement au cours du temps mais aussi de qualification d’éprouvettes ou de structures composites par comparaison à un essai de référence. Il s’agit alors de l’utiliser comme moyen de contrôle global renseignant sur l’évolution des défauts sous l’action d’une sollicitation. Elle permet un suivi permanent de la structure en fournissant une information quantitative de l’endommagement présent. Les études menées sur des éprouvettes de composite unidirectionnel carbone/époxy ont mis en évidence la reproductibilité de la méthode quant à la réponse acoustique représentative de l’état d’endommagement du matériau [13]. Des essais de traction uniaxiale jusqu’à rupture [13] ont permis de montrer que la courbe du nombre cumulé de salves en fonction de la charge appliquée décrit une augmentation quasi exponentielle, et suit le modèle d’endommagement proposé par Zweben et Rosen [14, 15]. Des essais de chargement cyclique ou constant [16] ont montré que le matériau n’émet quasiment pas à la décharge et que le taux d’émission diminue rapidement avec le temps (Figure 4.2). Par ailleurs, il apparaît que le diagramme de charge-endommagement semble être unique. Fuwa, Bunsell et Harris [17, 18] ont montré que l’augmentation de la charge après une sollicitation cyclique induit une augmentation du nombre de salves cumulées conforme à l’extrapolation de la courbe obtenue lors du premier cycle de traction (Figure 4.3). Par ailleurs, en dépit de la complexité géométrique structurelle des réservoirs bobinés en composite, leur réponse, en terme de comportement acoustique à des chargements monotones, cycliques ou statiques, est similaire à celle des éprouvettes unidirectionnelles. Ces auteurs ont alors conclu que ce type de comportement suppose une relation directe entre le nombre cumulé de salves et l’endommagement de la structure par rupture de fibres.